强气流干扰下无人直升机自主导航与控制理论和关键技术研究

This project is based on the medium unmanned helicopter. It aims to solve the autonomous navigation and flight control problem due to the strong airflow turbulence in performing low altitude flight missions. In several typical flight conditions (including hover flight, low speed flight and forward flight), it reveals the interference and coupling mechanism of the unmanned helicopter under the strong airflow disturbance and establishes the state perception information disturbance model. It also explores the measurement error rule of the unmanned helicopter navigation system under the strong airflow disturbance and researches the autonomous navigation method of the multi-source heterogeneous sensor information fusion and fault tolerance under the strong airflow disturbance. It begins from the medium unmanned helicopter’s requirements to the autonomous flight control system’s robustness, stability and safety. The system studies the theory and method of the adaptive flight control under the strong airflow disturbance deeply and establishes the evaluation index system and evaluation method of the autonomous navigation and adaptive control method of the unmanned helicopter. This project forms the theory and method of the medium unmanned helicopter’s autonomous navigation and control under the strong airflow disturbance through bringing in the new theory, exploring the new mechanism and creating a new method. It will effectively solve the unmanned helicopter autonomous navigation and safety problem of flight control in complex air environment.

本项目以国家急需的中型无人直升机为研究对象，以解决由于强气流干扰对其执行低空飞行任务所带来的自主导航及飞行控制问题为目标，在几种典型飞行状态下（包括悬停、小速度和前飞），揭示无人直升机的强气流扰动耦合机理，建立状态感知信息扰动模型；探索强气流干扰下无人直升机导航系统测量误差规律，研究强气流扰动下的多源异构传感信息融合及容错的自主导航理论与方法；以中型无人直升机对自主飞行控制系统的鲁棒性、稳定性、安全性需求为出发点，系统深入的研究强气流干扰下自适应飞行控制理论与方法，建立无人直升机的自主导航与自适应控制方法的评价指标体系和评估方法。通过引入新理论、探索新机理、创立新方法，形成一套强气流干扰下的中型无人直升机自主导航及控制理论与方法，有效解决无人直升机在复杂气流环境下的自主导航与安全飞行控制问题。

本项目以中型无人直升机为研究对象，针对强气流扰动下无人直升机安全可靠飞行的迫切需求，开展了强气流干扰下无人直升机自主导航与控制理论和关键技术研究。根据无人直升机的飞行特性和强气流飞行环境的扰动耦合机理，建立状态感知信息扰动模型，研究强气流扰动下的无人直升机多源异构导航信息智能融合及容错的自主导航理论，对强气流干扰下自适应飞行控制理论与方法进行了深入研究，设计实时仿真试验平台，对自主导航与智能自适应控制方法性能进行评估。实现了无人直升机导航与控制系统的优化综合，提高了无人直升机导航与控制系统的鲁棒性和可靠性。.本项目完成了强气流扰动下无人直升机建模及传感器误差特性影响机理研究,，探索了强气流干扰对无人直升机状态量测的影响规律；提出了基于大气辅助的无人直升机状态感知多源惯性/卫星/视觉组合导航方法和基于因子图的多源异构信息深度融合导航方法；提出了强气流扰动下基于状态量测信息的外部扰动风场估计方法；设计了强气流扰动下无人直升机自适应飞行控制方法，降低了强气流干扰对无人直升机控制的突发影响；提出了强气流干扰下无人直升机轨迹跟踪控制方法和考虑外部扰动和故障的鲁棒控制方法，保证在风场扰动下无人直升机按照预定轨迹飞行；还构建了强气流扰动下无人直升机自主导航与飞行控制性能验证平台。.本项目获得资助以来，共发表论文238篇（其中期刊论文168篇，含SCI期刊论文107篇，EI期刊论文37篇；国内外会议论文70篇），申请国家发明专利90项（其中已授权41项）。获2018年度国家自然科学奖二等奖一项，2020年国防科学技术进步奖二等奖一项，2018年国防科学技术发明奖二等奖一项，2017年国防科学技术进步奖三等奖一项，2017年中国自动化学会CAA科学技术奖一等奖，2019年第九届吴文俊人工智能自然科学奖一等奖，2020中国自动化学会科技进步奖一等奖，本团队教师还获得江苏省教师成果一等奖两项，圆满完成了项目的各项研究计划。